基于1 m3泄爆裝置的墨粉爆炸泄壓機制研究*

陳鈺方，劉柏清，武星軍，徐偉巍，丁建旭，王繼業(yè)，王 彥，楊 娟

(廣州特種機電設(shè)備檢測研究院 國家防爆設(shè)備質(zhì)量檢驗檢測中心，廣東 廣州 510760)

0 引言

我國對涉粉塵爆炸潛在風(fēng)險行業(yè)安全問題愈發(fā)重視，先后出臺了一系列的國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定，如國家標(biāo)準(zhǔn)《粉塵防爆安全規(guī)程》(GB 15577—2018)[1]和應(yīng)急管理部頒布實施的《工貿(mào)企業(yè)粉塵防爆安全規(guī)定》(中華人民共和國應(yīng)急管理部令第6號)[2]。爆炸防護(hù)技術(shù)既是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障，又是提高安全生產(chǎn)水平最直接有效的方法[3]。粉塵爆炸防護(hù)技術(shù)主要包括惰化、簡單泄爆、無焰泄爆、抑爆和隔爆等方法，其中，由于簡單泄爆裝置的成本低廉且安裝方便，目前已被工貿(mào)行業(yè)的相關(guān)企業(yè)大量采用。應(yīng)用爆炸泄壓裝置可以有效地降低爆炸發(fā)生后工業(yè)裝置內(nèi)的超壓荷載，防止爆炸波對主體設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。受控爆炸壓力作為爆炸泄壓研究的主要參數(shù)，當(dāng)前已有一些學(xué)者開展了粉塵濃度、反應(yīng)容器中障礙物、泄壓口比率、著火位置等影響因素對受控爆炸壓力的影響規(guī)律的研究[4-7]，研究結(jié)果雖然使人們對粉塵爆炸機理有了更深程度的認(rèn)識，有效提升了粉塵爆炸防控水平，但粉塵爆炸是涉及多學(xué)科交叉耦合的非線性問題，經(jīng)科學(xué)探究和實踐經(jīng)驗積累所形成的爆炸泄放技術(shù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍與實際應(yīng)用的預(yù)期存在一定差距，難以匹配復(fù)雜多變的涉可爆粉塵的生產(chǎn)工藝。因此，粉塵爆炸機理和泄放效應(yīng)，特別是大尺度條件下的研究需要進(jìn)一步加強，為泄爆技術(shù)的發(fā)展和可靠應(yīng)用提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

墨粉是1種典型的可燃爆粉塵，易被靜電、火花等微小能量點燃源點燃，具有強爆炸性和高爆炸敏感度等特性。隨著墨粉循環(huán)再利用工程的發(fā)展，墨粉應(yīng)用的行業(yè)范圍得到極大拓展，用量激增的墨粉在工業(yè)生產(chǎn)中的安全風(fēng)險愈發(fā)凸顯[8]。目前，針對墨粉爆炸的研究重點多集中于墨粉的爆炸特性[8-9]，鮮有關(guān)于在大尺度條件下墨粉爆炸泄爆發(fā)展過程的報道，因此，開展針對性的墨粉爆炸泄爆研究，加強對泄爆過程中燃燒與熱流關(guān)系的探究，能夠為爆炸泄壓技術(shù)的開發(fā)和安全泄壓措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

基于自主研發(fā)的爆炸泄壓試驗平臺，在不同泄爆開口尺寸、墨粉濃度和泄爆片慣性條件下，開展受控爆炸壓力與外場火焰演化規(guī)律的研究，以期為墨粉爆炸減災(zāi)技術(shù)的發(fā)展提供有益的理論指導(dǎo)。

1 試驗系統(tǒng)與工況設(shè)置

進(jìn)行爆炸泄壓試驗的系統(tǒng)主要包括1 m3柱形爆炸測試裝置、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1)1 m3柱形爆炸測試裝置如圖1所示，該裝置主要由反應(yīng)釜、粉塵分散裝置和點火裝置組成，其中反應(yīng)釜容積為1 m3，長1.5 m，密封條件下最大可承受3 MPa的爆炸壓力。粉塵分散裝置的主要作用是在反應(yīng)釜中產(chǎn)生均勻的粉塵云爆炸環(huán)境。在反應(yīng)釜的2側(cè)對稱設(shè)置體積均為5 L儲粉罐，氣粉兩相電磁閥用于連通儲粉罐和分散噴頭。當(dāng)電磁閥獲得開啟信號后，閥芯快速打開，儲粉罐內(nèi)的預(yù)設(shè)高壓氣體攜運罐內(nèi)粉塵快速通過分散噴頭至反應(yīng)釜內(nèi)，并形成可燃爆性粉塵云。在本試驗中，點火裝置采用2.4 g化學(xué)點火頭引燃反應(yīng)釜中的粉塵云。

圖1 試驗裝置

2)控制系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)對整個試驗過程的遠(yuǎn)程控制，其功能包括：反應(yīng)釜艙門的開啟和關(guān)閉、儲粉罐進(jìn)氣、粉塵擴(kuò)散相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、點火指令、對爆炸測試裝置中的各項系統(tǒng)運行指征進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測以及試驗后反應(yīng)釜內(nèi)吹掃等。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括反應(yīng)釜內(nèi)爆炸壓力測試以及外場火焰發(fā)展測試模塊。其中反應(yīng)釜內(nèi)爆炸壓力主要通過LabVIEW虛擬儀器采集，壓力傳感器型號為奇石樂603CBA00070.0，該壓力傳感器可測最大壓力為7 MPa，采樣頻率為20 kHz；使用高速攝像機FASTCAM SA-Z獲取外場爆炸火焰演化過程，拍攝速度10 000 fps。虛擬儀器和高速攝像機的觸發(fā)均通過電平信號控制。

本文試驗所采用的泄爆片是由雙層不銹鋼薄板加工而成，中間幾何泄壓開口邊緣預(yù)設(shè)門形線槽，并由點焊固定連接，夾層采用聚氯乙烯膜對線槽進(jìn)行密封，保證安裝泄爆片的測試裝置具有較好密封性。所采用的2種矩形泄壓開口的幾何尺寸分別為410 mm×910 mm，410 mm×580 mm，靜開啟壓力為0.01 MPa，誤差為25%；試驗粉塵是墨粉，并采用Mastersizer激光粒度分析儀3000對粉塵樣品進(jìn)行粒徑測定，獲得的粒度分布情況如圖2所示，試驗中墨粉的中位徑為15.7 μm。測試粉塵濃度選為250，500 g/m3。噴粉分散壓力為1 MPa，點火延遲時間為600 ms。

圖2 粒徑分布

2 結(jié)果及討論

2.1 爆炸壓力峰值變化規(guī)律

研究反應(yīng)釜中受控爆炸壓力有必要先掌握封閉空間內(nèi)墨粉爆炸的壓力變化情況，以便為不同條件下的爆炸泄壓機制提供參照。試驗獲得的封閉腔體中2種濃度墨粉爆炸壓力隨時間變化曲線如圖3所示，250，500 g/m3墨粉的爆炸壓力峰值分別為0.641,0.793 MPa，主要原因在于500 g/m3墨粉在反應(yīng)釜分散形成的粉塵云燃料與反應(yīng)釜中的氧化劑比250 g/m3墨粉條件下更接近化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量比濃度，反應(yīng)速率較大，內(nèi)能向環(huán)境轉(zhuǎn)化的能量更多。從圖3中也可發(fā)現(xiàn)，墨粉的爆炸壓力變化曲線均為陡升緩降，這是由于墨粉爆炸波與波前未擾動區(qū)域存在壓力階躍關(guān)系，此外，腔體內(nèi)火焰由絕熱燃燒向非絕熱燃燒過度后，反應(yīng)生成的熱量在壁面散失[10]，導(dǎo)致爆炸壓力下降的趨勢緩和。

圖3 封閉空間爆炸壓力曲線

針對不同開口尺寸和墨粉濃度爆炸泄壓試驗的壓力曲線如圖4所示。4種工況條件下的壓力演化歷史相近，先上升后下降，較封閉腔體中壓力曲線的墨粉爆炸壓力峰值下降，表明泄爆技術(shù)能夠?qū)δ郾ǖ奈：π赃M(jìn)行有效削減。當(dāng)開口尺寸為410 mm×580 mm時，低墨粉濃度工況的最大受控爆炸壓力為0.306 MPa，高墨粉濃度工況的最大受控爆炸壓力為0.254 MPa；當(dāng)泄爆開口尺寸增大時，低墨粉濃度工況的最大受控爆炸壓力為0.267 MPa，而隨著墨粉濃度增加，最大受控爆炸壓力為0.231 MPa。從以上結(jié)果可知，增加泄爆開口幾何尺寸可有效降低受控爆炸壓力的峰值，提升泄爆效率。

如圖4所示，在壓力上升的起始點附近出現(xiàn)較為微弱的上下波動是由聲動火焰不穩(wěn)定性造成的。在大尺度氣體爆炸泄爆試驗中，Van等[11]發(fā)現(xiàn)了聲動火焰不穩(wěn)定性造成的多峰壓力演化過程。后來，Van等在粉塵爆炸泄壓試驗中也發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象，這種不穩(wěn)定主要是由火焰熱波動及其相關(guān)的壓力震蕩與反應(yīng)釜之間的聲模態(tài)耦合產(chǎn)生，當(dāng)熱波動和壓力波震蕩同步時會產(chǎn)生1個正向反饋，即當(dāng)聲波傳播至火焰鋒面時，會將火焰推向密度更大的未燃區(qū)域，火焰表面變得不穩(wěn)定，燃燒速率增加，此時聲波被反射向密度較小的燃燒區(qū)域，使該區(qū)域火焰形態(tài)趨于平滑，降低該區(qū)域熱釋放率[12]。本試驗中出現(xiàn)的多段壓力波動也證明了聲動火焰的不穩(wěn)定性對粉塵泄爆試驗壓力波動的影響。墨粉被點燃后，火焰?zhèn)鞑デ椅从|及到反應(yīng)釜壁面的過程相當(dāng)于定容燃燒，反應(yīng)釜中壓力的上升幅度較為穩(wěn)定。當(dāng)燃燒產(chǎn)生的壓力略大于泄爆片靜開啟壓力時泄爆片開啟。此時反應(yīng)釜內(nèi)湍流強度增強，湍流動能增加，此時反應(yīng)釜內(nèi)壓力小幅度波動直至火焰發(fā)展和氣流流動到泄爆口處，此后壓力再次上升至腔體內(nèi)壓力達(dá)到靜開啟壓力的25倍左右。由于試驗所用反應(yīng)釜相對較小，聲波和燃燒波耦合時間短，所以壓力波動段的時間間隔較短。

圖4 受控爆炸壓力曲線

2.2 外場火焰?zhèn)鞑ゼ把莼^程

泄爆口開口尺寸為410 mm×580 mm的低墨粉濃度外場火焰?zhèn)鞑パ莼^程如圖5所示，記錄時間跨度為400 ms。從圖5中可以看出，墨粉爆炸泄壓試驗中外場火焰發(fā)展具有4個典型階段：首先，被點燃的墨粉在反應(yīng)釜中產(chǎn)生的壓力波使大量未燃墨粉從泄爆口噴射出來，其初期分散形態(tài)受泄爆片開啟動作的影響近扇形，如圖5(a)所示；隨后，從反應(yīng)釜泄爆口逃逸出的火焰二次點燃了分散在外場的粉塵云，如圖5(b)所示，形成近球狀火焰團(tuán)，如圖5(c)～(d)所示，此時外場大尺度的火焰更易卷吸外界空氣，進(jìn)而加快火焰?zhèn)鞑ニ俣萚13]；在壓力波向泄爆口方向傳播的作用下，軸向流場和溫度場的急速變化導(dǎo)致火焰形態(tài)進(jìn)一步發(fā)生改變,如圖5(e)所示，泄爆外場火焰團(tuán)演化為主火焰團(tuán)和次火焰團(tuán)2部分：當(dāng)軸向流場流速變大時，流體流線彼此靠近，這使球狀火焰變窄，軸向火焰中墨粉的濃度梯度增大，逐漸發(fā)展成形似射流火焰的主火焰團(tuán)；由于次火焰團(tuán)不再獲得墨粉的連續(xù)補充，隨著燃燒的消耗，逐漸消亡，如圖5(f)～(g)所示;隨著外場逃逸粉塵云的持續(xù)燃燒，火焰中可燃物濃度下降以及熱輻射造成火焰熱量損失，且火焰前端未燃墨粉的補充減弱，甚至消失，從而導(dǎo)致火焰亮度變暗、長度衰減，火焰下游出現(xiàn)明顯異相反應(yīng)形成的“火星”，如圖5(k)～(l)所示，最后外場火焰徹底熄滅。

圖5 外場火焰演化過程(410 mm×580 mm;250 g/m3)

泄爆開口尺寸為410 mm×910 mm的高墨粉濃度外場火焰?zhèn)鞑パ莼^程如圖6所示，火焰形態(tài)變化過程與低濃度條件下的泄爆火焰相似，但由于較高濃度的墨粉隨著泄爆口開啟發(fā)生逃逸，外場火焰尺度更大、亮度更高。值得注意的是，外場球狀火焰形成后,如圖6(c)所示，并未直接發(fā)展為射流火焰，而是在火焰鋒面軸向凸起，繼而演變成更大的球狀火焰，如圖6(d)～(f)所示，這是因為球狀火焰形成早期，仍處于相對貧氧的燃燒狀態(tài)，在火焰陣面不穩(wěn)定性的驅(qū)動下，開始朝富氧區(qū)域拉伸擴(kuò)散，促使更多氧化劑參與反應(yīng)，再次形成球狀火焰，更大尺度的“火球”的形成標(biāo)志著此工況外場火焰燃燒速度更快[14]。結(jié)合圖4可知，當(dāng)泄爆片開啟前，封閉容器內(nèi)500 g/m3的墨粉具有更快的壓力上升速率，導(dǎo)致在泄爆片開啟時通過的流體的誘導(dǎo)湍流強度較大，進(jìn)而強化外場流動與燃燒的相互作用，提高了反應(yīng)釜可燃粉塵向外場逃逸擴(kuò)散速率和外場火焰的燃燒速度，反應(yīng)釜內(nèi)殘余的較少可燃粉塵燃燒釋放的總能量降低，在反應(yīng)釜系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化釋放的能量和通過泄爆釋放的能量的動態(tài)競爭過程中，對后期受控爆炸壓力的提升效應(yīng)不足。

圖6 外場火焰演化過程(410 mm×910 mm;500 g/m3)

2.3 泄爆片慣性對于爆炸泄壓的影響

在火焰從封閉空間傳播至開放空間后，其2側(cè)形成的渦流可以帶動可燃粉塵運動，促成球狀火焰的形成[14-15]。在本文前2節(jié)中證明球狀火焰正是加速外場火焰燃燒速度、促進(jìn)腔內(nèi)爆炸泄壓的表征形態(tài)。泄爆片開啟并不是1個瞬時動作，而經(jīng)歷膨脹—半開啟—完全開啟3個階段，對逃逸粉塵和火焰具有動態(tài)導(dǎo)向的效應(yīng)，因此，在研究爆炸泄壓過程中，有必要考慮泄爆片的慣性所產(chǎn)生的影響。EN 14491中提到[16]面密度大于0.5 kg/m2的爆炸泄壓裝置開始泄壓時會有較大的慣性力，NFPA 68中給出計算無慣性面密度的臨界值公式[17]。在文中大小尺寸泄爆片的面密度分別為6.4，7.15 kg/m2，均高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的可忽視慣性影響的臨界值。為了研究泄爆片的慣性對墨粉爆炸泄壓的影響，本文采用單層牛皮紙作為開口尺寸分別為410 mm×580 mm，410 mm×910 mm的無慣性參照物，開展墨粉濃度為250 g/m3的泄爆試驗，結(jié)果如圖7所示。圖7中虛線和實線曲線分別為大小2種尺寸無慣性參照泄爆片的測試結(jié)果，可以看出當(dāng)泄爆片的慣性影響較小時，2種泄爆開口尺寸的受控爆炸壓力峰值接近；與點橫線表示的泄爆片測得的最大受控爆炸壓力相比，大開口尺寸的最大受控爆炸壓力峰值下降明顯，然而，小開口尺寸的最大受控爆炸壓力峰值相差較小，且在無慣性參照泄爆片條件下的最大受控爆炸壓力峰值略大，這是由于牛皮紙參照泄爆片的靜開啟壓力遠(yuǎn)大于泄爆片，短暫延緩了反應(yīng)釜通過泄爆口向外界環(huán)境釋放的內(nèi)部能量的釋放速率。

圖7 無慣性泄爆片受控爆炸壓力曲線

從以上結(jié)果可知，慣性作用的增強可以改變爆炸泄壓時流動與燃燒的交互過程，明顯地降低爆炸泄壓效率。如果在工程應(yīng)用中忽視泄爆片慣性的影響，那么對容器進(jìn)行風(fēng)險評估時，受控爆炸壓力實際值大于評估值，會放大系統(tǒng)中存在的安全隱患。目前，泄爆片的設(shè)計主要基于EN 14491和NFPA 68[16-17]，泄爆片設(shè)計面積計算方法如式(1) ～ (2)所示：

(1)

(2)

式中：Pmax為粉塵最大爆炸壓力，MPa；Kst為爆炸指數(shù)，MPa；Pstat為靜開啟壓力，MPa；Pred為最大受控爆炸壓力，MPa；V為容器體積，m3。

Yan等[18]研究發(fā)現(xiàn)：隨著受控爆炸壓力增加，依據(jù)公式(1)～(2)計算獲得的泄爆口面積的下降，2種標(biāo)準(zhǔn)在高Pred(≥0.2 MPa)時的計算結(jié)果差距更明顯，該研究認(rèn)為此誤差是公式(1)～(2)在擬合過程中對于升高靜開啟壓力的影響的算法上存在巨大差異造成的。由于泄爆片的慣性的作用效果隨著開口尺寸的減小而增大，文獻(xiàn)[18]中開口尺寸的估算值隨著Pred增加，下降速度放緩的現(xiàn)象也說明EN 14491和NFPA 68對開口尺寸的計算公式包含一定的慣性的作用。為了進(jìn)一步研究慣性對于工業(yè)應(yīng)用中的影響，本文將試驗中泄爆片開口尺寸與面密度關(guān)系擬合冪函數(shù)如式(3)所示：

(3)

式中：ρinertia為面密度，kg/m2。

將式(1)～(2)帶入式(3)中,結(jié)果如圖8所示。可以看出，面密度隨著Pred增加而增加；同Pred下，根據(jù)EN 14491計算所得的面密度大于NFPA 68的計算值，且該值隨著靜開啟壓力的增加出現(xiàn)較大增幅，這進(jìn)一步說明靜開啟壓力為變量時，EN 14491開口尺寸的計算值存在不穩(wěn)定性導(dǎo)致面密度的波動范圍較大。與適用于St 1粉塵的計算結(jié)果相比較而言，這種誤差在適用于St 2粉塵的爆炸泄壓裝置的設(shè)計中會被放大，甚至?xí)绊懫溥m用范圍，在正常生產(chǎn)過程中種下安全隱患。

圖8 EN 14491和NFPA 68的經(jīng)驗公式對慣性的敏感度分析

3 結(jié)論

1)低墨粉濃度條件下最大受控爆炸壓力大于高濃度的工況，這與封閉空間爆炸試驗的壓力峰值規(guī)律相反；開口尺寸越大，最大受控爆炸壓力越??；產(chǎn)生上述現(xiàn)象主要是由于聲動火焰的不穩(wěn)定性造成的。

2)外場火焰形態(tài)的變化經(jīng)歷壓力波帶出墨粉—外場球狀火焰形成—外場射流火焰形成—火焰衰減熄滅4個階段，而較高濃度的墨粉會促使球狀火焰面拉伸形成二次球狀火焰，外場火焰的劇烈燃燒加速了反應(yīng)釜中壓力的泄放。

3)泄爆片的慣性力會降低爆炸泄壓的泄壓效率，EN 14491和NFPA 68對開口尺寸進(jìn)行計算體現(xiàn)慣性的影響，但是在不同的靜開啟壓力下EN 14491的計算結(jié)果受慣性影響的變化幅度更大。這說明泄爆片的設(shè)計仍需要進(jìn)行大量不同工況的試驗來對2種標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗公式進(jìn)行校正。